薛江濤，彭輝

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102）

汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)速測量中徑向振動補償裝置設(shè)計

薛江濤，彭輝

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102）

汽輪發(fā)電機組是復雜的旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)，軸系的瞬時轉(zhuǎn)速是反映其工作狀態(tài)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。本文以轉(zhuǎn)速敏感模塊中最常用的測速齒輪-電渦流傳感器為例，建立傳感器輸出模型，研究了轉(zhuǎn)子徑向振動對傳感器輸出特性的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了補償裝置，并進行了實驗研究。通過對結(jié)果的時域及頻域分析表明，合成后的輸出信號中基本抑制了徑向振動對電渦流傳感器的輸出信號的影響。

旋轉(zhuǎn)機械；瞬時轉(zhuǎn)速；電渦流傳感器；徑向振動

汽輪發(fā)電機組是復雜的旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)速中包含有反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動狀態(tài)的綜合信息，經(jīng)深入挖掘后可應(yīng)用于軸系扭轉(zhuǎn)振動特性分析、轉(zhuǎn)動慣量現(xiàn)場識別、調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性分析等方面。其測量方法是相關(guān)研究的重點。

瞬時轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速敏感模塊、數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊、轉(zhuǎn)速提取算法模塊，其中轉(zhuǎn)速敏感模塊輸出的信號是整個系統(tǒng)的分析基礎(chǔ)。在工作中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)除了高速旋轉(zhuǎn)外，還存在有徑向振動，會直接影響轉(zhuǎn)速敏感元件的輸出乃至后期轉(zhuǎn)速提取算法的結(jié)果。

本文以轉(zhuǎn)速敏感模塊中最常用的齒輪-電渦流傳感器為例，建立了輸出模型，分析了徑向振動的影響，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了徑向振動補償裝置并進行了實驗研究。

1 轉(zhuǎn)速敏感模塊的輸出模型

1.1 電渦流傳感器理想輸出模型

目前，軸系瞬時轉(zhuǎn)速主要采用非接觸電量測量方法，即利用固定安裝的光電、電渦流等傳感器，將軸上的齒輪、反光帶等產(chǎn)生的位移、光等信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)采集處理后采用一定的算法提取其中的轉(zhuǎn)速信息。最常用轉(zhuǎn)速敏感元件為固定安裝的電渦流傳感器與對應(yīng)的在轉(zhuǎn)子上同軸安裝的測速齒輪。

電渦流傳感器頭部裝有感應(yīng)線圈，通入高頻電流后，產(chǎn)生的高頻電磁場在附近的被測金屬物體表面產(chǎn)生電渦流，其次生電磁場與線圈中原生電磁場相互疊加，改變了線圈的阻抗。該阻抗是線圈與被測金屬物體表面之間垂直距離的單值函數(shù)，整理后即可得到與垂直距離h之間成正比的輸出電壓ue，如式1所示。

其中s為傳感器的靈敏度，單位為V/mm。傳感器頭部在被測物體表面垂直投影面積為傳感器的敏感區(qū)域。

在齒輪-電渦流傳感器系統(tǒng)中，傳感器敏感區(qū)域內(nèi)通常為齒-槽相間的臺階結(jié)構(gòu)，輸出信號中包含了高低部分的綜合影響。

在實際測量中，首先要通過調(diào)整傳感器與被測物體之間的初始間隙來設(shè)置傳感器的初始輸出電壓。在齒輪-電渦流系統(tǒng)中，一般以齒頂作為調(diào)節(jié)初始間隙的基準，設(shè)間隙gx0，輸出電壓絕對值為u0，與最大輸出電壓絕對值的差值為uh，則齒輪旋轉(zhuǎn)引起的輸出電壓ug可表示為。

其中m為齒輪齒數(shù)，fr、fg分別為軸的旋轉(zhuǎn)頻率及齒輪通過ECT的頻率，根據(jù)齒輪的幾何結(jié)構(gòu)特點，fg=mfr。由于齒輪的幾何特點，在傳感器敏感區(qū)域內(nèi)測量表面為臺階狀，uh對應(yīng)的距離he一般小于實際齒高ht。

電渦流傳感器的輸出可看作是齒頂與ECT的初始間隙形成的靜態(tài)信號u0與齒輪旋轉(zhuǎn)形成的動態(tài)信號的合成。

1.2 考慮徑向振動后的電渦流傳感器輸出模型

轉(zhuǎn)子的徑向振動包含有多種頻率成分，并且可沿互為垂直的兩個方向進行分解。具體到齒輪-電渦流傳感器系統(tǒng)，可選擇沿著或垂直于電渦流傳感器軸向方向，分別稱平行分量及垂直分量。

由于一般情況下轉(zhuǎn)子徑向振動以基頻（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率）分量為主，因此本文主要以基頻分量為例分析對轉(zhuǎn)速測量的影響。相應(yīng)的運動方程為：

其中又以平行分量影響最大，設(shè)在零相位位置時，轉(zhuǎn)子向左處于最大位移，對應(yīng)產(chǎn)生的動態(tài)電壓為：

考慮到齒輪的位置，則電渦流的總輸出為：

可見，平行分量造成的動態(tài)電壓直接疊加在齒輪的輸出信號上。因此在t時刻，ECT的輸出電壓為：

為反映平行分量與齒輪信號幅值的大小對比及對電渦傳感器輸出信號的影響，定義輸出電壓比：

由于徑向振動水平方向的影響，徑向振動信號與齒輪脈沖信號相互疊加。齒輪脈沖的信號的“包絡(luò)”為振動信號。這樣的信號經(jīng)后期調(diào)理電路后得出的信號間隔不均并會還出現(xiàn)“丟齒”現(xiàn)象，造成轉(zhuǎn)速提取誤差增大。

2 徑向振動補償裝置的設(shè)計

根據(jù)轉(zhuǎn)子運動特點，轉(zhuǎn)子的徑向振動在直線方向上具有“互補”性，即在同一時刻下，如轉(zhuǎn)子向某方向運動位移達到最大，則在該方向上對稱180°方向上則為最小。因此，考慮到轉(zhuǎn)子運動的互補性，補償徑向振動干擾可采用兩個傳感器以180°對稱安裝測量齒輪盤的瞬時轉(zhuǎn)速，如圖1所示。

圖1 對稱安裝渦流傳感器

當傳感器以180°對稱安裝后，對于平行分量，根據(jù)傳感器的特性，在同一時刻，位移值增量是大小相等，方向相反的，設(shè)傳感器1的輸出增量為正，則兩傳感器的輸出為：

對輸出取平均可得

可見，合成信號中消除了徑向振動平行分量的影響，保留了瞬時轉(zhuǎn)速的有效成分。

累加電路原理如圖2所示。

圖2 累加電路示意圖

圖中的U1、U2即為兩個輸入端，“＋”、“－”代表分別輸入信號的信號端和地線端，兩個電阻R1、R2的阻值相等，則電路的輸出端信號為：

實現(xiàn)了兩輸入端的累加平均。

根據(jù)上述原理，在某型轉(zhuǎn)子試驗臺進行試驗研究。

兩個成對安裝的電渦流傳感器輸出各自的原始波形與合成信號時域圖對比。當前轉(zhuǎn)速為600r/min，齒輪齒數(shù)為60齒。

將兩路傳感器的信號累加后，在合成信號中基本消除了徑向振動的影響，合成信號的主要成分為齒輪產(chǎn)生的脈沖頻率。

3 結(jié)語

本文建立了齒輪-電渦流傳感器的輸出模型，分析了轉(zhuǎn)子徑向振動對傳感器輸出信號的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了徑向振動補償裝置并進行了實驗研究，結(jié)果表明在時域及頻域內(nèi)，合成信號中基本消除了徑向振動的影響，效果較為顯著。

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